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FRP预应力增强胶合木梁受弯性能试验研究

范文

黄晓波高荣刘练

摘要：为研究纤维增强复合材料（FRP）预应力对胶合木梁受弯性能的增强效果，对5根胶合木梁进行了试验研究，其中包括未增强木梁、无预应力FRP增强木梁以及FRP预应力增强木梁三种。测试不同类型胶合木梁在受弯后的破坏特征、极限承载力和挠度等参数。结果表明，通过FRP预应力增强能够有效提高胶合木梁的抗弯承载力和延性，并且施加的预应力越大，增强的效果越好。

关键词：胶合木梁;预应力;FRP;受弯性能

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.19.172

0 引言

现代木结构工程中常用的胶合木梁的弯曲破坏大都是由受拉边的木节、斜纹或机械接头部位等缺陷引起的脆性破坏，木材强度尤其是受压强度得不到充分利用[1]，长期以来研究人员不断探索胶合木梁的增强方法。国内外有许多学者在这方面进行了研究[2-4]，大多是采用将钢筋或FRP材料以开槽或直接粘贴方式布置在木梁的受拉区，这样做虽然对木梁的抗弯性能有一定的增强，但其增强效果并不明显，也未能充分发挥增强材料的高强特性。有部分研究者也在探索利用预应力对胶合木梁进行增强[5-7]，但施加预应力的方法大多采用的是预弯法、张弦法和打孔穿丝等方法，要么施加的预应力的吨位比较小，要么需要在梁体上添加了附加装置，不利于木梁在实际工程中的应用，或者需要在木梁上打孔开槽，破坏了木材的整体性，影响了加固效果。

本文将通过试验研究，探讨采用FRP片材施加预应力增强胶合木梁的效果，研究不同预应力值大小对胶合木梁的极限承载力和挠度等受弯性能的影响。

1 试验模型与试验方法

1.1 材料性能

木梁层板采用重庆本地松木，顺纹抗拉强度为52.5MPa，顺纹抗压强度为19.2MPa，弹性模量为8.3GPa;CFRP片材抗拉强度≥2400MPa，弹性模量为170GPa，纤维体积含量≥65%，伸长率≥1.7%;木工胶采用广州市永特耐木胶贸易有限公司生产的木工接着剂。

1.2 试件制作

本试验共制作5根层板胶合木梁，梁体截面尺寸均为b×h=80mm×130mm（層板厚度为26mm，共5层粘接而成），跨度均为2400mm。CFRP板的厚度为1.4mm，宽度为50mm。试验胶合木梁试样分为未增强木梁、无预应力FRP增强木梁以及FRP预应力增强木梁三组。第一组木梁不进行任何形式增强，直接由层板胶合而成，作为参照对比梁，编号为B0;第二组木梁为无预应力FRP增强木梁，在梁底两层层板之间全跨顺纹胶粘一层无预应力CFRP片材，编号为FB1;第三组为FRP预应力增强木梁，根数为3根，分别施加20kN、40kN和60kN的预应力，其具体CFRP片材布设位置、层数和预应力值大小见图1。

试验前将木材层板进行晾晒、打磨，使其表面较为平整，易于粘合。制作木梁时，对B0和FB1木梁，在层板或CFRP片材接触面之间直接涂刷木工胶粘剂进行粘合，并采用压力装置持力压紧养护2～3天。对于YB1～YB3木梁，首先将CFRP片材与木梁层板进行粘合，然后使用千斤顶对CFRP片材进行张拉施加预应力，以前述同样方式养护数日后，放松CFRP片材两端的锚固装置，此时预应力已通过胶结剂的粘接作用留存在胶合木梁中。

1.3 加载试验

试验采用三分点加载，在加载过程中采取防止侧向失稳措施，施加的荷载经荷载传感器传给静态应变测量系统。在支座、四分之一跨处以及跨中共设置5个位移计，并在梁跨中截面沿高度均匀设置5片应变片，所有量测数据均由静态应变测量系统同步采集。试验过程采用分级加载，前期以约2kN为一级进行递增，后期按1kN一级递增，每级持荷稳定2分钟左右再进行数据采集。

2 试验结果与分析

2.1 试验数据

通过对三组共5根胶合木梁进行了抗弯试验，得出各根试验胶合木梁的抗弯极限承载力和跨中极限挠度的数值，其具体情况如表1所示。

2.2 结论分析

根据试验结果，分析得出以下结论：

（1）经FRP预应力增强后，胶合木梁的抗弯承载力得到明显提高，并且随着预应力数值的增大，增强的效果越明显。预应力增强木梁的极限承载力相比未增强构件提高了20.2%一80.6%;而相比非预应力增强木梁极限承载力提高了12.5%一69.0%;

（2）通过FRP预应力增强后，胶合木梁充分利用了木材的抗压强度并提高了构件的延性变形性能，降低了木材木节等缺陷对受弯性能的影响，使木梁由受拉脆性破坏变为延性的受压屈服破坏。预应力增强木梁的延性性能相比未增强构件提高了91.9%一113.0%;而相比非预应力增强木梁极限承载力提高了59.2%一76.6%;

（3）通过试件制作过程中FRP片材放张后伸长量的变化和试件成形后反拱形态的观察判断，采用将FRP片材与木材层板胶合锚固的方式对胶合木梁施加预应力，最终预应力的损失较大;

（4）相对于抗弯承载力和延性性能的提高，FRP预应力增强后，胶合木梁的刚度并未得到有效提高，这可能与预应力损失较大有很大关系。

3 结语

经FRP预应力增强后，胶合木梁的抗弯极限承载力和延性性能得到了显著提高，说明FRP预应力增强胶合木梁在木结构中具有良好的发展前景。但由于试验条件以及试验技术的限制，FRP预应力损失过大，胶合木梁刚度未能得到有效增强，这需要在今后的研究中进行更深入地探索。

参考文献：

[1]陆伟东，杨会峰，刘伟庆等.胶合木结构的发展、应用及展望[J].南京工业大学学报：自然科学版，2011，33（05）：105-110.

[2]Johns K，Lacroix S.Composite Reinforcement of Timber in Bending[J].Canadian Journal of Civil Engineering，2000（27）：89-90+6.

[3]杨会峰，刘伟庆.FRP增强胶合木梁的受弯性能研究[J].建筑结构学报，2007（01）：64-71.

[4]李飞.FRP加固木梁抗弯性能的实验研究[D].福建：华侨大学，2009.

[5]Dolan C W，Galloway T L，Tsunemori A.Prestressed glued-laminated beam： pilot study[J].Journal of Composites for Construction，ASCE，1997，1（01）：10-16.

[6]林诚，杨会峰，刘伟庆等.预应力胶合木梁的受弯性能试验研究[J].结构工程师，2014（01）：160-164.

[7]左宏亮，孙旭，左煜等.预应力配筋胶合木梁受弯性能试验[J].东北林业大学学报，2016，44（02）：42-46.

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